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Getriebe mit gleitenden und sich drehenden Kolben für Kolbenmaschinen,
insbesondere für Zweitakt-Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Wellengetriebe
für Kolbenmaschinen mit gleitenden und sich drehenden Kolben, z.B. für Kraftmaschinen,
Pumpen, Verdichter, Sauger od. dgl. Sie betrifft insbesondere eine Zweitakt-Brennkraftmaschine
mit einem Trommelgetriebe. Der Hauptzweck des erfindungsgemäßen Getriebes besteht
darin, eine umkehrbare Verbindung zwischen einer gleichförmigen Drehbewegung und
einer Anzahl n geradliniger Hinundherbewegungen herzustellen, wobei n eine beliebige
ganze Zahl darstellt.
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Man hat bei Brennkraftmaschinen schon ähnliche Getriebe mit gleichzeitig
gleitenden und sich drehenden Kolben angewandt, die mittels eines zur Richtung der
Zylinderachse schräg gestellten Maschinenteiles mit der Hauptachse verbunden ist.
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So ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der die Drehung der Kolben
direkt hervorgerufen wird durch einen sich drehenden Maschinenteil, dessen Rotationsachse
schräg zur geometrischen Achse des Zylinders verläuft und dessen Drehung mechanisch
durch ein mit der Hauptachse der Maschine verbundenes Gelenk bewirkt wird.
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Bei einem anderen Getriebe mit mehreren zur Maschinenachse parallelen
Zylindern ist mit der Motorachse durch einen zu dieser Achse schräg stehenden Kugelkranz
eine Taumelscheibe verbunden, die die
Kolben dadurch zu einer Hinundherbewegung
veranlaßt, daß sie ihnen mittels Zahnradgetriebe und Kurbeln eine Drehbewegung erteilt.
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Ein anderes Getriebe mit Taumelscheiben besteht in einer Anordnung
von mit der Motorachse parallelen Zylindern, bei der ein Taumelring einerseits mit
der Motorachse und andererseits mit der Kolbenstange der beiderseitigen Zylinder
unter Zwischenumschaltung eines Kugelkranzes verbunden ist.
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Diese verschiedenen Getriebe weisen den Nachteil auf, daß sie eine
große Anzahl von Kugellagern oder Gelenken notwendig machen und im allgemeinen nicht
zu einer guten Auswuchtung der Maschine führen. Dagegen wird bei der vorliegenden
Erfindung ein vollendet ausgewuchtetes Getriebe verwirklicht, in dem die zum Zylinderblock
beweglichen Teile nur aus Kolben und einer sich wechselseitig mit der Motorachse
drehenden Scheibe mit schrägen Stirnflächen bestehen. Das Getriebe nach der Erfindung
ist, allgemein ausgedrückt, ein umkehrbares kinematisches Verbindungsgetriebe zwischen
einem oder mehreren gleichzeitig gleitenden und sich drehenden Körpern, die auf
einem ersten Maschinenteil angebracht sind und einem zweiten Maschinenteil, der
drehbar auf dem ersten gelagert ist. Dieses Getriebe kennzeichnet sich durch zwei
gegenseitig um eine Hauptachse drehbare Teile, von denen der zweite mindestens eine
zur Hauptachse schräg verlaufende Fläche aufweist, einen oder mehrere im ersten
Teil drehbar und parallel zur Hauptachse gleitbar gelagerte Körper, die um diese
Hauptachse verteilt sind, wobei diese Körper mit einer schräg verlaufenden Stirnfläche
versehen sind, die sich gegen die Schrägfläche oder -flachen des zweiten Teiles
stützen, durch Mitnehmerfinger auf den Schrägflächen der gleitenden und sich drehenden
Körper und durch Führungsnuten für die Mitnehmerfinger in den Schrägflachen des
zweiten Teiles.
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Dieses Getriebe ist bei zahlreichen Kolbenmaschinen anwendbar, insbesondere
bei Brennkraftmaschinen. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
an Hand der Zeichnung.
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Fig. I bis 4 sind geometrische Darstellungen zur Erklärung des Theorems
der drehenden Kreise; Fig. 5 ist ein schematischer Längsschnitt durch das erfindungsgemäße
Getriebe; Fig. 6 ist ein Längsschnitt gemäß der Linie VI-VI der Fig. 7 einer Zweitakt-Brennkraftmaschine
mit Getriebetrommel und drei Zylindern, die mit dem erfindungsgemäßen Getriebe versehen
ist; Fig. 7 ist eine Stirnansicht dieser Maschine bei abgenommenem Zylinderkörper;
Fig.8 zeigt einen vereinfachten Kolben für eine solche Maschine; Fig. 9 ist ein
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine mit gegenläufigen Kolben und zwei
Zylinderkörpern mit je fünf paarweise gleichachsigen Zylindern; Fig. Io zeigt die
Führungsnuten für die Maschinenkolben; Fig. II ist ein Querschnitt durch einen der
Zylinderkörper; Fig. I2 zeigt schematisch die allgemeine Anordnung eines weiteren
Doppelgetriebes gemäß der Erfindung. Des besseren Verständnisses halber ist zunächst
eine Erklärung der geometrischen Verhältnisse angebracht. Das erfindungsgemäße Getriebe
beruht nämlich auf einer geometrischen Eigenart, die der Erfinder selbst gefunden
hat und als Theorem der drehenden Kreise bezeichnet.
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Gegeben ist eine Ebene, die in der Zeichnungsebene durch einen Kreis
C dargestellt ist, welcher sich um seine Mitte O dreht. Ferner sind gegeben n weitere,
durch Kreis C1, C2 ... Cn dargestellte Ebenen, die sich ebenfalls jeweils um ihre
Mitten drehen. n ist eine beliebige ganze Zahl. Die Mitten O1, O2...On sind beliebig
um O, jedoch mit einem gleichen Halbmesser y verteilt. Die Winkelgeschwindigkeit
+ w ist für alle Kreise die gleiche. Es ist nun möglich (und kann beliebig oft wiederholt
werden), in jedem der n Kreise einen solchen Punkt zu wählen, daß die n Punkte M1,
M2 ... Mn jeweils in der Ebene des sich drehenden Kreises C eine gemeinsame Spur
hinterlassen, die durch den Kreis S mit dem Halbmesser y dargestellt ist und sich
mit dem Kreis C dreht, wobei der Kreis S von allen Punkten M1, M2 ... Mn mit der
relativen Winkelgeschwindigkeit - w bestrichen wird.
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Für den vorliegenden Fall soll diese geometrische Eigenart für eine
beliebige Anzahl von Drehebenen (Fig. I) dienen, die durch mit einer Winkelgeschwindigkeit
+ w umlaufende Kreise dargestellt sind, und zwar derart, daß die n Kreisspuren der
Punkte M1, M2 ... Mn auf den sich drehenden Kreisen C1, C2 ... Cn genau auf einem
gleichen Kreis zusammenfallen. Hierzu genügt es, daß (unter Voraussetzung einer
gleichen Entfernung y für alle Mittelpunkte O1, O2 ... On) alle Punkte M1, M2 ...
Mn derart gewählt sind, daß alle Vektoren O1-M1, O2-M2 ... On-Mn einander gleich
(wenngleich von beliebigem Wert) seien und in der Anfangslage parallel zueinander
verlaufen. Sie bleiben dann während der Bewegung stets parallel zueinander, und
die Punkte M1, M2 ... Mn bestreichen mit der relativen Winkelgeschwindigkeit - w
den gleichen Kreis S mit dem Mittelpunkt A und dem Halbmesser y, wobei dieser Kreis
sich mit dem Kreis C um die Mitte O mit der Winkelgeschwindigkeit + w dreht.
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Unter den vorbeschriebenen Verhältnissen bleiben die formveränderlichen
Vierecke OO1M1A, OO2M2A ... OOnMnA (Fig. I) stets Parallelogramme, wodurch die Richtigkeit
des Vorgesagten einwandfrei nachgewiesen ist. Man kann auch die Anzahl der Punkte
M1, M2 ... Mn beliebig vergrößern. Jeder neuen Zahl entspricht dann ein neuer Kreis
S, und alle Kreise S haben den gleichen Halbmesser gγ wobei der Mittelpunkt
A jedesmal durch einen Vektor 0-A bestimmt wird, der gleich ist allen Vektoren 0,7M"
-02-l112 ...
0"-M" einer gleichen Reihe, die für eine gleiche Reihe von n
Punkten stets unter sich gleichbleiben, jedoch auf Wunsch von einer Reihe zur anderen
verschiedene Längen haben können. Fig. 2 zeigt ein Beispiel zweier Reihen von
n Punkten Ml, M2 ... Mn und Nl, N2... N" mit ihren jeweilig gleichen
Kreisspuren S und T, wobei die Vektoren der ersten Reihe nicht die gleiche Länge
haben wie die Vektoren der zweiten Reihe.
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Davon ausgehend, wird nun (Fig. 3) der Kreis C durch eine erste Scheibe
dargestellt, und die Kreise Cl,
C2 ... Cn werden durch ebenso viele
Scheiben dargestellt, die in der Zeichnungsebene mit der ersten Scheibe in Berührung
stehen. Die Punkte M1, M2... Mn werden durch zylindrische Finger mit einem Durchmesser
d gebildet, die rechtwinklig zur gemeinsamen Ebene aller Scheiben verlaufen. Der
Kreis S kann dann durch eine Ringnut von der Breite d dargestellt werden, die mit
genügender Tiefe in die Scheibe C eingeschnitten wird. Diese Ringnut wird dann von
jedem Finger M1, M2 ... Mn mit der relativen Winkelgeschwindigkeit -w bestrichen.
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Wird nun eine weitere Reihe von n Fingern (Fig.2) N1, N2 ... Nn mit
einem Durchmesser e = d (oder ungleich) vorgesehen, die jeweils mit den Scheiben
C1, C2 ... Cn verbunden sind, so bestreichen diese Finger ebenfalls mit der Winkelgeschwindigkeit
-w eine Ringnut T von der Breite e mit einem Halbmesser r, die sich auch auf der
Scheibe C befindet. Es ist also möglich, die Anzahl der Nuten und der Fingerreihen
beliebig zu vergrößern.
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Die Wirkungsverbindung mit der gemeinsamen Winkelgeschwindigkeit +
w zwischen der Scheibe C und den Scheiben C1, C2 ... Cn kann somit umkehrbar durch
die Finger und die entsprechenden Nuten erfolgen entweder mit einer Fingerreihe
M1, M2 ... Mn und einer Nut S; jeder Finger (Fig. 4) muß aber dann mit einem kreisbogenförmigen,
angelenkten Gleitschuh von der Wandstärke h versehen sein, der in der gemeinsamen
Ringnut S von der Breite h gleitet und zum Überschreiten der Totpunkte dient, die
Gleitschuhe sind jeweils mit a1, a2 ... an bezeichnet; oder mit mehreren Fingerreihen
M1, M2 ... Mn, N1, N2 ... Nn, mit entsprechenden Nuten S, T ..., wobei die Fingerreihen
und die zugehörigen Nuten die gemeinsame Wirkungsverbindung herstellen und die Mehrzahl
der Reihen den Übergang an den Totpunkten bewirkt.
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Von diesen geometrischen Erwägungen ausgehend, werden nun (Fig. 5)
n + I Zylinder mit parallelen Achsen X, X1, X2 ... Xn vorausgesetzt. Die Grundflächen
dieser Zylinder sind jeweils in einer rechtwinklig zu den Achsen verlaufenden Ebene
der Kreis C und die Kreise C1, C2 ... Cn, die um die Mitte O verteilt sind. Die
n + I Zylinder, d. h. der mittlere und die auf den Umfang verteilten Zylinder haben
eine schräge Grundfläche, und alle Schrägflächen befinden sich in einem gegebenen
Augenblick t in einer gleichen Ebene P mit einer konstanten Neigung von 9o - a °
in bezug auf die gemeinsame Achse der n + I parallelen Zylinder.
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I. Drehen sich die n + I Zylinder gleichzeitig mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit
+ w um die eigene Achse, so bleiben die schrägen Grundflächen der verschiedenen
Zylinder stets parallel zueinander in den nacheinanderfolgenden Lagen während der
Drehbewegung.
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2. Da alle Schrägflächen stets parallel zueinander bleiben, ist es
möglich, durch eine einfache, axiale Verschiebung der Zylinder die n Schrägflächen
der n auf den Umfang verteilten Zylinder in der geometrischen Ebene der Schrägfläche
des mittleren Zylinders zu halten, also in Wirklichkeit in Berührung mit dieser
letzteren Schrägfläche. Es ergibt sich daraus, daß jeder der Umfangszylinder sich
nicht nur mit + w um seine eigene Achse dreht, sondern auch eine hin und her gehende
Bewegung ausführt, die gegenüber dem mittleren Zylinder eine relative, geradlinige
Hinundherbewegung darstellt, die eine mathematische Sinuskurve als Funktion der
Drehbewegungen bildet. Alle Hinundherbewegungen haben die gleiche Periode und die
gleiche Länge (2y tg a). Sie sind von einem Umfangszylinder zum anderen den ursprünglichen
Winkeln entsprechend gegeneinander versetzt, mit denen die Umfangszylinder um die
Achse des Hauptzylinders verteilt sind.
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3. Die gleichzeitige Drehung der n + I Zylinder oder ganz allgemein
der n + I Drehkörper mit parallelen Achsen mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit
+ w kann sich, ganz natürlich aus der zwangsläufigen Verbindung ergeben, die durch
das vorbeschriebene Theorem bedingt wird. Das Theorem der sich drehenden Kreise
läßt sich nämlich durch eine Projektion auf eine rechtwinklig verlaufende Ebene
(Fig. I, 2, 3, 4) ausdrücken. Das für die Führungsfinger und die entsprechenden
Ringnuten Gesagte ist somit auch gültig für die n + I umlaufenden Körper, wobei
die Drehachse die Projektionsrichtung darstellt. Es ist insbesondere leicht verständlich,
daß die Schrägfläche eines jeden Umfangszylinders einen oder mehrere Führungsfinger
aufweisen kann, die alle parallel zur Drehachse verlaufen, wobei die Schrägfläche
des mittleren Zylinders eine oder mehrere Ringnuten aufweist, die in der Projektion
kreisförmig erscheinen, auf der Schrägfläche aber elliptisch sind. Die Seitenwände
der Nuten sind zylindrisch und parallel zur Hauptachse. Jede Nut entspricht einer
Fingerreihe, in welcher die Finger in der Anfangslage auf der Schrägfläche der Umfangszylinder
sitzen. Das Ganze wird in einer rechtwinklig zur Achse verlaufenden Ebene gezeichnet,
und zwar genau gemäß den Vorschriften des vorgenannten Theorems, damit jede Fingerreihe
eine gleiche Nut bestreichen kann. In der Regel ist es angebracht, nur eine Fingerreihe
und die entsprechende Nut zu benutzen, wobei die Finger aber mit Gleitschuhen versehen
sein müssen, um den Übergang an den Totpunkten zu sich ern. In allen Fällen wird
die Übertragung der Drehbewegung richtig bewirkt.
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Die vorstehenden Erklärungen machen das Getriebe verständlich, das
den Hauptbestandteil jeder Kolbenmaschine mit umlaufenden Kolben bildet, z. B. einer
Kraftmaschine, eines Verdichters, einer Pumpe od. dgl., insbesondere aber einer
Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Zylindertrommel, die ein Gemisch ansaugt oder bei
welcher ein leichtes oder schweres Kraftmittel eingespritzt wird. Selbstverständlich
gehört auch zur Erfindung jede andere Kolbenmaschine gleicher Art, z. B. eine Viertakt-Brennkraftmaschine,
ein Verdichter, eine Pumpe oder ein Sauger mit dem gleichen Getriebe.
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Dieses Getriebe besteht somit aus einem zylindrischen Körper mit einer
ebenen Stirnfläche, die um go - a ° gegen die Achse 0 geneigt ist; und aus einer
auf der gleichen Achse sitzenden Trommel. Der Körper und die Trommel können sich
gegenseitig mit einer beliebigen Geschwindigkeit drehen, z. B. mit einer Winkelgeschwindigkeit
+ o>. Die Trommel besitzt
n zylindrische Bohrungen, die parallel
zur Achse O verlaufen und in einem gleichen Abstard v um diese verteilt sind. Jede
Bohrung enthält einen Kolben mit einer ebenen Stirnfläche, die ebenfalls um 9o -
a ° gegen die Achse geneigt ist und mit der Schrägfläche des Körpers in Berührung
steht. Jede der Schrägflächen der Kolben besitzt einen oder mehrere zylindrische
Führungsfinger, die parallel zur Achse O verlaufen und derart angeordnet sind, daß
die Finger einer gleichen Reihe eine entsprechende Führungsnut bestreichen können,
die in die Schrägfläche des Körpers eingeschnitten ist. Die Führungsfinger können
unmittelbar in die Nut eingreifen oder mit angelenkten Gleitschuhen versehen sein:
Ist die Länge dieser kreisbogenförmigen Gleitschuhe genügend groß gewählt, um den
Übergang an den Totpunkten zu sichern, so kann die Anzahl der Finger und der Nuten
auf die Einheit beschränkt werden. Die Kolben werden mit der Schrägfläche durch
eine zweite, parallel mit dieser verlaufenden Schrägfläche in Berührung gehalten,
die mit der ersten starr verbunden ist. Diese zweite Schrägfläche wirkt auf eine
zweite Schrägfläche eines jeden Kolbens ein, die parallel zur ersten Kolbenschrägfläche
verläuft.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Getriebes wird für eine
Brennkraftmaschine beschrieben, die dadurch besonders vorteilhaft ausgebildet wird.
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Diese Brennkraftmaschine ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Es handelt
sich um eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit drei Zylindern.
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Sie besitzt einen feststehenden Zylinderkörper I mit drei Zylinderbohrungen
2, deren Achsen V-W parallel zur Hauptachse Y-Z verlaufen und sich in einem gleichen
Abstand von dieser befinden. Die Zylinder sind um I2o° gegeneinander versetzt. Nur
ein Zylinder 2 ist in Fig. 6 sichtbar, weil diese einen Schnitt gemäß der Linie
VI-VI der Fig. 7 darstellt. Die Zylinder sind mit Zylinderbüchsen 4 versehen. In
jeder Büchse ist ein Kolben 6 gleitend und drehbar gelagert. Der oben rechts sichtbare
Kolben 6 befindet sich im oberen Totpunkt. Die drei Kolben und die zugehörigen Teile
sind untereinander gleich, wie auch deren Arbeitsprozesse, die jedoch um ein Drittel
gegeneinander versetzt sind.
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Die Hauptwelle 5 ist auf die Achse Y-Z zentriert und drehbar im Zylinderkörper
I auf Wälzlagern 8 und 9 gelagert, die zur Aufnahme der axialen und radialen Drücke
dienen sowie auch die sich ergebenden Biegungsmomente ausgleichen. Der mit Schrägfläche
versehene Drehkörper 7 sitzt fest auf der Welle. Er besteht aus zwei mit einer Zentrieraussparung
Io ineinandergreifenden Teilen, welche die Bearbeitung der Ringnut II erleichtert.
Er könnte aber auch aus einem Stück bestehen. In jedem Fall ist jedoch der Drehkörper
7 derart ausgebildet, daß er nach der Bearbeitung vollkommen um die Achse Y-Z ausgewuchtet
ist. Zu diesem Zweck ist er mit einer Aussparung I2 versehen.
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Jeder Kolben 6 ist starr mit einem schrägen Gleitfuß I3 verbunden.
Dieser besteht aus einer Zylinderscheibe mit zwei Schrägflächen I4 und I5, deren
Schräge genau gleich ist derjenigen des Körpers 7 in bezug auf die Achse Y-Z. Der
Umriß der Schrägfläche I4 der Gleitplatte I3 ist somit elliptisch. Sie bleibt beständig
mit der Schrägfläche I6 in Berührung, deren Umriß ebenfalls elliptisch ist. Der
Teil 17 ist ein Zylinder mit einer Endfläche I9, die parallel zur Fläche I6 verläuft
und beständig mit der Ringfläche I5 der Platte I3 in Berührung steht. Dieser Teil
I7 sitzt fest auf der Welle 5 und stützt sich gegen ein Wälzlager I8. Die Endfläche
I9 dient zum Zurückführen der Kolben 6 nach dem unteren Totpunkt.
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Jede Gleitplatte I3 ist mit ihrem Kolben 6 durch eine Rohrstange 2o
verbunden, die beim dargestellten Beispiel mit der Platte aus einem Stück besteht.
Es sind jedoch auch sonstige Ausführungen möglich. Insbesondere kann die Verbindung
durch getrennte Teile erfolgen. Die Befestigung des oberen Endes der Stange 2o am
entsprechenden Kolben 6 kann in verschiedener Weise geschehen. Jeder aus einem Kolben
und den zugehörigen Teilen bestehender Körper ist sorgfältig ausgewuchtet.
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Jede Stange 2o ist gleitbar und drehbar in einer Führung 2I des Zylinderkörpers
I und des Maschinengestells gelagert. Diese Führung 2I nimmt somit einen Teil der
radialen Kräfte auf. Sie gestattet ferner eine vorteilhafte Benutzung der unteren
Zylinderkammer 22 mit der Unterseite des Kolbens 6 zum Verdichten der Spülluft für
die Verbrennungskammer.
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An jeder Gleitplatte I3 ist ein zylindrischer Führungsfinger 23 befestigt,
der somit auch fest mit dem zugehörigen Kolben 6 verbunden ist. Auf diesem Finger
23 sitzt gelenkig ein Gleitschuh 3 von kreisbogenförmiger Gestalt, der in der Ringnut
II gleiten soll und sich dabei um den Finger 23 dreht. Dieser Gleitschuh 3 nimmt
ebenfalls einen Teil der radialen Kräfte auf. Der Verlauf der Nut II und die geometrischen
Lagen der Finger 23 der verschiedenen Kolben 6 in der Nut II sind mathematisch durch
den Grundgedanken des Getriebes bestimmt.
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Einerseits ist die Mittellinie der Ringnut II durch die rechtwinklige
Projektion der Schnittlinie der Schrägfläche I6 mit einer zylindrischen Fläche gegeben,
deren Achse J-K parallel zu Y-Z verläuft, wobei der Halbmesser gleich ist dem Abstand
zwischen den Achsen V-W und der Achse Y-Z des Zylinderkörpers I. Anderseits ist
der Abstand zwischen den Fingern 23 und den entsprechenden Achsen V-W gleich dem
Abstand zwischen der Achse J-K und der Achse Y-Z. Die radialen Halbebenen Q der
Kolben 6, die durch die Achsen der Finger 23 gehen, sind parallel und gleichgerichtet
mit der radialen Halbebene U des Drehkörpers 7, die durch die Achse J-K geht.
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Der Drehkörper 7 hat im oberen Teil die Gestalt eines Zylinders 24,
der durch die Schrägfläche I6 begrenzt ist. Er ist unten durch einen kegeligen Teil
25 verlängert, dessen Neigung gleich ist derjenigen der Schrägfläche 16, wodurch
die schädlichen Räume zwischen diesem kegeligen Teil und den Gleitplatten 13 beseitigt
werden sollen, wenn letztere den unteren Totpunkt erreichen.
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Der Drehkörper 7 ist in einem Hohlkörper 26 gelagert, der fest am
Zylinderkörper i und arn Maschinengestell sitzt. Dieser Hohlkörper 26 besteht i.
aus einem zylindrischen Teil 27, in dem der zylindrische Teil 24 des Körpers 7 gelagert
ist, a. aus einem kegeligen Teil 28, in dem der kegelige Teil 25 des Körpers
7 gelagert ist, 3. aus drei teilzylindrischen Aussparungen
29,
in denen sich die zugehörige Fußplatte I3 verschiebt und gleichzeitig mit dem Kolben
6 dreht.
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Jede der Fußplatten I3 bestreicht im Hohlkörper 26 eine Kammer 30
von sichelförmigem Querschnitt, die möglichst groß gewählt werden soll. Der Rauminhalt
dieser Kammer 3o kann vorteilhaft größer sein als der Rauminhalt der Kammer über
dem zugehörigen Kolben 6.
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Der Hohlkörper 26 enthält eine sich über den ganzen Umfang erstreckende
Ringkammer 31, in welche das brennbare Gemisch von einem nicht dargestellten Vergaser
durch einen Kanal 23I eintritt. Der Drehkörper 7 ist im unteren Teil mit einer Umfangsnut
32 versehen, die sich gegenüber der Ringkammer 3I befindet und auf dem ganzen Umfang
mit dieser in Verbindung bleibt. Der Drehkörper 7 ist ferner mit zwei Teilnuten
33 und 34 für die Steuerung versehen, welche in die Kegelfläche 25 des Körpers 7
ausmünden. Die größten Abmessungen der Querschnitte der Nuten 33 und 34 verlaufen
rechtwinklig zur größten Abmessung des Querschnittes der Nut 32. Der Boden der Nut
33 mündet in die Nut 32. Dagegen ist die Nut 34 am Boden geschlossen. Des besseren
Verständnisses halber sind in Fig. 6 die Nuten 33 und 34 strichpunktiert in einer
Lage dargestellt, die um 9o° um die Achse Y-Z in bezug auf die wirkliche Lage versetzt
ist, die dem oberen Totpunkt des dargestellten Kolbens 6 entspricht. In Wirklichkeit
nehmen die Nuten 33 und 34 die in Fig. 7 dargestellte Lage ein. Die mittlere Länge
der Nuten 33 und 34 ist sehr wenig kleiner als der mittlere halbe Umfang, vermindert
um die Länge des Kreisbogens gleichen Halbmessers zwischen einer beliebigen Sichel,
die den Querschnitt der Kammern 3o bildet (Fig.7).
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Der Hohlkörper 26 enthält ferner drei gleiche Kanalgruppen, die jeweils
den drei Zylindern 6 entsprechen. Jede Gruppe besteht aus den Kanälen 35, 36, 37,
38, 39, 4o. Der Deutlichkeit halber sind in Fig. 6 nur die Kanäle 35, 36, 37 einer
der Gruppen dargestellt. Die dem Kolben 6 entsprechenden Kanäle 35, 36, 37 sind
genau gleich den in Fig. 6 gezeigten Kanälen, jedoch sind sie um I2o° um die Achse
Y-Z versetzt. Sie sind in Fig. 7 angedeutet.
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Die Kanäle 35 gehen von der Kegelfläche 28 des Hohlkörpers 26 an der
Durchgangsstelle der Öffnungen der Nuten 33 und 34 aus. Diese Kanäle 35 stehen mit
den Kanälen 36, 37, 38, 39, 4o in Verbindung. Der letzte mündet in eine Einlaßöffnung
4I der Büchse 4 des Zylinders 2. Diese Öffnung ist durch einen Steg 42 geteilt,
der das Übergleiten der Dichtungsringe des Kolbens 6 erleichtern soll. Die Gestalt
und die Lage der Öffnung sind derart gewählt, daß der Einlaß des Gemisches in der
wirksamsten Weise während der Gleit- und Drehbewegung des Kolbens 6 im Zylinder
erfolgt.
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In der Büchse 4 befindet sich auch eine Öffnung 48 für das Ansaugen
reiner Luft. Diese Öffnung steht durch den Kanal 243 mit der Außenluft in Verbindung.
Eine weitere Öffnung 44 ist im unteren Teil der Büchse 4 vorgesehen. Sie mündet
in einen Kanal 45 des Zylinderkörpers I, der zu einer oberen Öffnung 46 der Büchse
4 führt. Der Zylinder 2 ist außerdem mit einer Auslaßöffnung 59 versehen, die mit
einer Auslaßleitung 259 in Verbindung steht.
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Der Kolben besitzt im oberen Teil zwei diametral entgegengesetzte
Schlitze 47 und 48, die auch durch in die Oberseite des Kolbens mündende Kanäle
ersetzt werden könnten.
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Die Abdichtung des Kolbens, die bereits durch die Gleit- und Drehbewegung
erleichtert wird, wodurch der Kolben auch mit geringem Spiel eingebaut werden kann,
wird durch die Anordnung der Ringe 49 verbessert, die wegen der Drehbewegung durch
einen Stift verankert sind.
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Für den Kolben sind zahlreiche Ausführungen möglich. Gemäß Fig. 8
kann der Kolben mit einem breiten Ring 5o versehen werden, der bei 5I geschlitzt
ist und durch einen Stift 52 festgehalten wird. In diesem Ring 5o sind die Steueröffnungen
47 und 48 vorgesehen.
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Eine Zündkerze 53 ist durch einen Leitungsdraht 54 mit einer nicht
dargestellten Zündvorrichtung verbunden, die durch die Welle 5 betätigt wird. Die
Zündkerze ist in den oberen Teil eines jeden Zylinders 2 eingeschraubt.
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Die Wirkungsweise der Maschine ist folgende: Der Körper 7 mit der
Führungsnut II dreht sich mit der Welle 5 im Hohlkörper 26. Der Gleitschuh 3 gleitet
in der Nut II und dreht sich gleichzeitig um den Finger 23, wodurch auch der entsprechende
Kolben 6 in der zugehörigen Büchse 4 gedreht wird. Der mit dem Kolben fest zusammenhängende
Gleitfuß 13 bleibt stets zum Körper 7 gleichgerichtet, wie dies weiter oben erklärt
wurde. Es ergibt sich daraus, daß die Gleitfläche I4 des Fußes I3 in ihrer ganzen
Ausdehnung mit der Schrägfläche I6 des Drehkörpers 7 in Berührung bleibt. Das Vorgesagte
gilt für die drei Kolben 6 und die zugehörigen Teile I3, 23, 3. Das Getriebe ist
umkehrbar. Werden die Kolben 6 nacheinander in Richtung des unteren Totpunktes verschoben,
so bewirken sie die Drehung des Körpers 7 und der Welle 5 und drehen sich auch gleichzeitig
um ihre eigene Achse.
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Das brennbare Gemisch, das vom Vergaser geliefert wird, wird durch
den Kanal 231 zugeführt und füllt den Ringraum 31, die damit in Verbindung stehende
Umfangsnut 32 und die Nut 33, deren Boden an die Nut 32 angeschlossen ist, und zwar
in allen Winkellagen des Körpers 7.
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Von dem Augenblick an, wo einer der Kolben 6 seinen unteren Totpunkt
erreicht, arbeitet die Steuervorrichtung in der folgenden Weise: Der sich mit der
Welle 5 drehende Körper 7 bewirkt die Verschiebung und gleichzeitige Drehung des
Kolbens 6 in der Büchse 4, und zwar verschiebt sich der Kolben in Richtung des oberen
Totpunktes. Der schräge Gleitfuß 13 des Kolbens 6 verschiebt sich in der Kammer3o
und saugt brennbares Gemisch an, das in diese Kammer aus der Nut 33 strömt. Diese
Nut, deren Länge in der bereits beschriebenen Weise bestimmt ist, bleibt in Verbindung
mit der Kammer 30 während annähernd einer halben Umdrehung der Welle 5 und
des Körpers 7, d. h. während der ganzen Saugperiode des i Kolbens 6.
Während
der folgenden halben Umdrehung wird die Nut 33 von der betreffenden Kammer 3o getrennt,
die, wie bereits angegeben, einen sichelförmigen Querschnitt hat (Fig. 7). Diese
Kammer 3o steht jetzt mit der Nut 34 in Verbindung. Während dieser halben Umdrehung
sinkt der Kolben 6 wieder mit dem Gleitfuß I3 in Richtung des unteren Totpunktes,
wobei das Gemisch aus der Kammer 30 in die Nut 34 und in den Kanal 35 des
entsprechenden Zylinders 2 verdrängt wird, weil in diesem Augenblick die Nut 34
an der Kammer 3o vorbeistreicht. Das Gemisch wird dadurch in den Kanälen 35, 36,
37, 38, 39, 4o in Richtung der Pfeile f nach dem Zylinder 2 hin verdrängt und gelangt
durch die Öffnungen 4I in den Zylinder im Augenblick, wo der Kolben während seines
Niederganges den Schlitz 48 vor die Öffnungen 4I einstellt und dadurch diese freilegt.
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Der Kolben erreicht den unteren Totpunkt und schließt die Öffnungen
4I. Sodann wird das Gemisch in der Verbrennungskammer verdichtet, wobei der Gleitfuß
I3 die nächste Ladung in die Kammer 3o des gleichen Zylinders saugt.
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Die Entspannung und die Spülung geschehen in der folgenden Weise:
Etwas vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 6 zündet die Zündkerze 53 das verdichtete
Gemisch. Der Kolben überschreitet dann den oberen Totpunkt. In diesem Augenblick
hat das Kolbenhemd bereits die Öffnung 43 der unteren Kammer 22 freigelegt, die
durch die Öffnung 43 mit in der Richtung des Pfeiles g eintretender Luft gefüllt
wird. Durch die Entspannung der Gase wird der Kolben 6 niederbewegt, das Kolbenhemd
43 schließt die Öffnung 43, und die Unterseite des Kolbens verdichtet die Luft,
die vorher durch die Öffnung 43 in die Kammer 22 gesaugt wurde.
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Der Schlitz 47 des Kolbens 6 erreicht schließlich die Auslaßöffnung
49, die dadurch freigelegt wird. Kurz nachher öffnet der Schlitz 48 auch die Öffnung
46. Die verdichtete Luft der Kammer 22 strömt dann durch die Öffnung 44, folgt dem
Kanal 45 in Richtung der Pfeile h, tritt heftig durch die Öffnung 46 ein und verdrängt
die verbrannten Gase durch die Auslaßöffnung 59 in Richtung des Pfeiles i.
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Hier muß daran erinnert werden, daß der Kolben 6 im Zylinder 2 nicht
nur eine hin und her gehende Sinuskurvenbewegung ausführt, sondern sich auch mit
konstanter und von der Verschiebung unabhängiger Geschwindigkeit um seine Achse
dreht.
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Der Schlitz 47 verläßt die Öffnung 59, die dadurch vom Kolben verdeckt
wird. Der Schlitz 48 verläßt die Öffnung 46, die ebenfalls geschlossen wird. Sofort
darauf legt der Schlitz 48 die Öffnungen 4I frei. Das frische Gemisch wird dann
durch diese Öffnungen verdrängt, der Kolben erreicht den unteren Totpunkt, die Öffnungen
4I werden vom Kolben verdeckt, und der Arbeitsprozeß beginnt von neuem.
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Das Überlagern der Auslaß- und Einlaßperioden wird dadurch vermieden,
daß der Kolben 6 sich während der Verschiebung dreht und auch an den Enden der Hübe
weiterdreht. Trotzdem die Öffnungen 46 und 59 sich annähernd in der gleichen Höhe
befinden, wird es dadurch möglich, die erstere nach dem Schließen der letzteren
freizulegen. Ein erster und sehr wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes
bei der Anwendung in einer Zweitaktmaschine besteht darin, daß das nachteilige Überlagern
der Einlaß- und Auslaßperioden der üblichen Zweitaktmaschinen vermieden wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine solche Kraftmaschine
stark überladen und gespült werden kann. Da die Kolben sich um ihre Achse drehen,
können die Steueröffnungen derart angeordnet und ausgebildet werden, daß in den
geeignetsten Augenblicken der Beginn und Schluß der folgenden Vorgänge bestimmt
werden: I. Auslaß der Verbrennungsgase; 2. Spülung des Zylinders mit reiner Luft;
3. Einlaß des frischen Gemisches.
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Die für einen Zylinder beschriebene Wirkungsweise ist die gleiche
für alle Zylinder, mit dem Unterschied, daß die Phasen um I2o° gegeneinander versetzt
sind. Die Steuernuten 33 und 34 dienen gemeinsam für alle Zylinder, deren Einlaßkanäle
35, wie bereits gesagt, gegeneinander um I2o° auf dem kegeligen Teil 28 versetzt
sind, auf dem die Öffnungen der Nuten 33 und 34 gleiten.
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An der Steuerung können natürlich Änderungen getroffen werden. Die
Spülöffnung 43 des Kolbenhemdes könnte z. B. beim Hochgehen des Kolbens an einem
langgestreckten Schlitz des Zylinders vorbeistreichen. Dieser Schlitz müßte dann
sinusförmig ausgebildet sein, um mit der Öffnung des Kolbenhemdes während des größten
Teiles der aufsteigenden Bewegung des Kolbens in Verbindung zu bleiben. Dadurch
würde das Füllen des Zylinders 22 während der ganzen Dauer des Hubes gesichert.
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Anstatt für das Spülen und den Einlaß nur einen Schlitz 48 vorzusehen,
könnte man diesen durch zwei Schlitze ersetzen, die nacheinander an den Öffnungen
46 und 4I vorbeigehen würden, wobei letztere in entsprechender Weise im Zylinder
angeordnet sein müßten.
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Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel dient die Kammer 3o zum Ansaugen
und Verdrängen des Gemisches, und die Kammer 22 dient zum Ansaugen und Verdrängen
der Spülluft. Diese beiden Kammern könnten verwechselt werden. Die Öffnung 43 wäre
dann mit dem Vergaser verbunden, und der Kanal 23I müßte an die freie Luft ausmünden.
Natürlich müßten dann auch die Gestalt und die Lage der verschiedenen Öffnungen
des Zylinders geändert werden.
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Die Spülung und die Spülkammer 22 sowie die entsprechenden Öffnungen
können auch beseitigt werden. Es genügt dann, einen Kolben gemäß Fig. 8 anzuwenden,
wodurch die ganze Bauart vereinfacht wird.
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In der vorstehenden Beschreibung wurde eine Brennkraftmaschine mit
Vergaser und Zündvorrichtung vorausgesetzt. Da eine solche Maschine stark überladen
und gespült werden kann, ist es auch möglich, sie mit einer Einspritzvorrichtung
zu versehen, wobei der mehr oder weniger flüchtige Brennstoff gezündet oder nicht
gezündet werden kann.
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Handelt es sich um einen leichten Brennstoff, so kann er in einen
Kanal eingespritzt werden, der zur Öffnung 41 oder 46 führt. Er kann aber auch in
die Brennkammer selbst eingespritzt werden. Eine Maschine dieser Art kann sehr vorteilhaft
nJit einem eingespritzten schweren Brennstoff arbeiten.
Bei allen
mit dem erfindungsgemäßen Getriebe versehenen Maschinen ist es stets möglich, die
axialen Kräfte vollständig auszugleichen, indem ein Doppelgetriebe vorgesehen wird,
das zu einer rechtwinklig zur Längsachse verlaufenden Ebene symmetrisch angeordnet
ist. Zu diesem Zweck können zwei symmetrische, entgegengesetzte, trommelförmige
Zylinderkörper der beschriebenen Art vorgesehen werden, die auf einer gemeinsamen
Welle sitzen.
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Eine solche Anordnung ist in den Fig. 9, Io und II für den einfachen
Fall einer Viertaktmaschine dargestellt, die aus zwei entgegengesetzten Zylinderkörpern
I22 und I23 mit je fünf Zylindern I24 und I26 besteht.
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Der Drehkörper I27 besitzt zwei Schrägflächen I28, I29, die in entgegengesetzten
Richtungen geneigt sind und auf denen die schrägen Füße 131, 132, der Kolben I33,
I34 gleiten. Widerlager I36, I37, die mit der Welle I38 und demgemäß auch mit dem
Drehkörper I27 zusammenhängen, halten die Kolben I33 und I34 in Berührung mit den
Schrägflächen I28 und I29.
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Wie bereits angegeben, kann jeder Kolben mit mehreren Führungsfingern
mit oder ohne Gleitschuh versehen werden, deren Zahl gleich ist derjenigen der Nuten
I43, I44, I46 einer jeden der Schrägflächen I28 und I29. Werden für jeden Kolben
mehrere Führungsfinger I39, I4I, I42 vorgesehen, so ist es angebracht, diesen Fingern
verschiedene Längen zu geben und sie auch in ungleiche Nuten eingreifen zu lassen,
damit an den Kreuzungsstellen jeder Finger in der zugehörigen Nut verbleibt.
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Fig.I2 zeigt eine andere Ausbildungsart einer Maschine mit gegenläufigen
Kolben. Bei dieser ist ein Zylinderkörper I47 mit durchgehenden Zylindern zwischen
zwei Drehkörpern I48, I49 angeordnet, deren schräge Innenflächen I5I, I52 entgegengesetzt
zueinander geneigt sind.
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Aus der vorstehenden Beschreibung sind die zahlreichen Vorteile des
erfindungsgemäßen Getriebes zu entnehmen. Ein solches sehr einfaches Getriebe kann
im Fall eines Kolbens und eines Zylinders das übliche Kurbelgetriebe ersetzen und
bewirkt die Wirkungsverbindung zwischen einem gleichförmig umlaufenden und einem
hin und her gehenden Körper. Daraus ergeben sich bereits zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten
bei verschiedenartigen Maschinen, die durch mehrere Kolben und Zylinder noch verbessert
werden.
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Insbesondere bietet das neue Getriebe die folgenden wesentlichen Vorteile:
a) Es erfolgt eine gleichzeitige Verschiebung und Drehbewegung zwischen den Gleitflächen
an den genannten Stellen: I. zwischen jedem Kolben und dessen Zylinder; 2. zwischen
jedem Gleitfuß und der Schrägfläche des Drehkörpers, also dort, wo die Kraft übertragen
wird; 3. zwischen jedem Gleitschuh und der entsprechenden Ringnut oder ganz allgemein
zwischen jedem Führungsfinger und der Ringnut.
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Bekanntlich wird bei einer solchen Bewegung die Reibung wesentlich
vermindert, also auch der Verschleiß, wodurch die Toleranzen verkleinert werden
können. Ferner ergibt sich daraus eine Verminderung der Widerstände und eine bessere
Umkehrbarkeit, selbst wenn die Schrägfläche des Drehkörpers verhältnismäßig wenig
geneigt ist. In gewissen Fällen, wo die Umkehrbarkeit unerläßlich ist, kann dies
vom baulichen Standpunkt aus betrachtet vorteilhaft sein.
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b) Die sich aus den Schrägflächen ergebenden Drücke, die in normaler
Weise von den Innenwänden der Zylinder aufgenommen werden müßten, werden in Wirklichkeit
stark und sicher von den Gleitschuhen aufgenommen, deren Gleitflächen mit der Ringnut
in Berührung stehen und deren Größe beliebig gewählt werden kann, wodurch die Drücke
je Flächeneinheit stark herabgesetzt werden.
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c) Die Drehbewegung eines jeden Kolbens im zugehörigen Zylinder der
feststehenden Trommel gestattet eine periodische Steuerung des Kraftmittels im Fall
einer Zweitaktmaschine, z. B. einer Kraftmaschine oder eines Verdichters, wodurch
die Ventile beseitigt werden und ein nicht verstellbarer Drehschieber erzielt wird.
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d) Bei einer Flüssigkeitsmaschine, z. B. einer Kraftmaschine oder
einer Pumpe, kann der Zylinderkörper drehbar gelagert sein, wobei dann der die Schrägfläche
aufweisende Körper feststeht. Die Steuerung kann auch dann wieder ohne Ventile erfolgen,
wozu die Stirnfläche des Zylinderkörpers, die der Schrägfläche entgegengesetzt angeordnet
ist, mit einem Deckel zusammenarbeitet, dessen Öffnungen die feststehende Steuervorrichtung
bilden.
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e) Die Zahl der Zylinder kann nach Belieben gewählt werden. Es lassen
sich dadurch leicht Ein- oder Mehrzylinder-Kolbenmaschinen bauen. Insbesondere ist
es möglich, eine flache, sehr gut ausgeglichene Kraftmaschine mit zwei Zylindern
zu schaffen oder auch eine Maschine mit Zylinderkörper, die bei geringem Raumbedarf
und dementsprechend vermindertem Rückmoment eine große Zylinderzahl aufweist und
sich somit insbesondere für Luftfahrzeuge eignet.
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f) Ist der Drehkörper mit Schrägfläche vorgesehen, so dienen die Kolben
als Schwungmasse, wobei alle in Drehung versetzten Massen ausgewuchtet sein müssen.
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g) Pleuelstangen und Kurbelwellen sind nicht vorgesehen.
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h) Die axialen Drücke können durch gegenläufige Aggregate ausgeglichen
werden mit zwei entgegengesetzten Zylinderkörpern und zwei entgegengesetzt geneigten
Schrägflächen, die symmetrisch zu einer rechtwinklig zur Achse verlaufenden Ebene
angeordnet sind.
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Gerade der große Vorteil des Getriebes gestattet die Schaffung verschiedener
Kolben- oder sonstiger Maschinen, die nur die funktionelle oder bauliche Wiedergabe
des Getriebes darstellen und deshalb in den Rahmen der Erfindung gehören.